光学是研究光的行为和性质的物理学科，也是与光学工程技术相关的学科，是物理学的一个重要组成部分。
本文回顾了光学领域在2021年的重大进展，盘点了激光惯性约束核聚变、微纳光学、强激光与超快光、超分辨与成像技术、量子计算与光通信这5个领域的重要进展，探讨了其在未来可能会对人类生存及生活方式产生的巨大影响。
激光惯性约束核聚变
激光惯性约束聚变（ICF）是利用激光作为驱动源，将核燃料压缩到高温高密度，并在燃料飞散之前进行点火和热核燃烧，从而获取聚变能的方法。
ICF领域的研究工作对于建成聚变电站、探索受控热核新能源、研究核武器物理并模拟核爆炸效应，以及极端条件下的物性研究有重要意义。
美国国家点火装置（NIF）是世界上最大的激光聚变实验装置，但十余年来一直未能实现点火。
2021年8月，在NIF上开展的新一轮惯性约束聚变实验的聚变增益达到了输入激光能量的2/3，离真正意义上实现聚变增益大于1的目标更近了一步。
美国国家点火装置NIF
目前国际上运行的高功率纳秒激光系统还有：美国的OMEGA装置、英国的Vulcan装置、法国的LMJ装置、日本的Gekko-XII装置以及中国的神光II和神光III装置。
中国ICF点火研究采取从万焦耳级到10万焦耳级，进而发展到百万焦耳级的渐进式方案，已于2012年建成了共48路光束，输出总能量200 kJ的神光III装置，主要进行ICF的物理分解实验研究。
微纳光学
微纳光学指利用微结构材料作为光学元件的光学分支。
随着生长技术、精密加工技术的进步，其涉及的尺度已下降到纳米量级，包含了许多新的光学特性，必须对其微观光学特征进行研究，由此催生了微纳光学领域的诞生。
光学超表面是一种由亚波长纳米结构阵列组成的人工二维结构。
2021年，研究人员首次展示了基于光学相变材料的电可重构非易失性超表面，并与电微加热器集成，产生了创纪录的半倍频程光谱调谐范围和超过400%的大光学对比度，并实现了动态光束控制。
有源超表面可以实现与涉及机械运动部件的传统精密体光学器件相当的光学质量。
电热超表面切换构造和封装的超表面阵列器件（a）电热超表面切换构造示意；（b）封装的超表面阵列器件
基于超表面的光学全息术具有视场角大、分辨率高等优点。
研究人员提出了一种由几何相位单元组成的四原子宏像素超表面，可以将多个波长的振幅与相位信息编码到任意偏振通道中，还实现了HSB三维色彩空间全息显示，在全息3D成像/显示、信息加密、AR/VR、高密度数据存储等应用中展现出巨大潜力。
全偏振自由度调控彩色全息超表面结构示意（a）k空间调制示意；（b）四原子结构示意
自由曲面光学是近期光学设计革命的基石，它基于自由曲面的内在弯曲形状控制光，而超表面通过光与修饰平面表面的亚波长结构的相互作用实现光控制。
研究人员将超表面和自由曲面光学技术结合，实现了一种新的光学组件，称为超曲面，由与弯曲的自由曲面基板一致的超表面组成。
这为更紧凑的AR/VR眼镜以及从LED照明到医疗和军事光学设备等应用提供了一种可行的技术。
增强现实显示中的超曲面组合器应用示例和超曲面概念图示（a）增强现实显示中的超曲面组合器应用示例；（b）超曲面概念
基于辐射制冷技术的人体热管理织物在近年来被广泛研究。
2021年，研究人员基于辐射制冷原理和结构分级设计理念，研发了具有形态分级结构的超材料织物，在户外暴晒环境可为人体表面降温近5℃。
研究者基于批量纤维制备技术获得了均匀连续的超材料纤维，进一步利用纺纱织造和层压技术，制备得到了超材料织物，有望打造具有超高产业附加值特征的战略性新型产业。
超材料纤维及织物照片和超材料织物降温性能测试
红外成像是夜视、自动驾驶汽车导航、光学断层扫描和食品质量控制等许多应用中的一项关键技术。
研究人员使用超表面纳米晶体层，只需要一个简单的激光就可以将红外光转换为佩戴者可以看到的图像，在实现红外成像的同时，保证了正常的视觉，为开发用于红外视觉和生命科学的紧凑型红外成像设备开辟了新的机遇。
红外上转换成像过程和效果示意（a）使用超表面的红外上转换成像；（b）靶示意；（c）不同横向位置的上转换图像
极化激元是由光和物质强耦合作用产生的一种“半光-半物质”准粒子，能够突破衍射极限，将光场压缩聚焦到很小的尺度，实现奇异的微纳光学现象和重要应用。
近年来，各向异性传播的极化激元被广泛研究，不同种类的双曲极化激元一般被归纳为沿着材料界面传播的表面模式和在材料内部传播的体模式。
研究人员证明了在各向异性的双折射晶体方解石中，存在第3种极化激元模式——“幽灵”双曲极化激元，可看成是由表面模式和体模式复合而成，表现出独特的传播特性。
该研究证明了储量丰富、可大规模制备的传统块体极性晶体在微纳光学领域具有极大应用潜力，在振动分子传感、亚波长信息传递、超分辨聚焦成像、纳米尺度辐射调控等诸多方面有着重要的应用前景。
块状方解石晶体界面上的“幽灵”双曲极化激元
科学家们已经可以将半导体激光器、光调制器、低损耗光波导以及光探测器集成在芯片上，而集成光隔离器却成为阻碍将全部光学元件集成在同一芯片上的瓶颈。
研究人员结合集成光子学和微机电系统技术，利用压电氮化铝单片将光隔离器集成在了超低损耗氮化硅光子集成电路上，实现了光隔离器信号耗损的大幅度降低。
无磁氮化物光隔离器原理
强激光与超快光学
超短超强激光是探索物理学、宇宙学、材料科学等未知领域的有力工具。
凭借啁啾脉冲放大（CPA）技术，人们已经实现10 PW的激光能量输出。
研究人员提出了利用双光束泵浦广角非共线光学参量啁啾脉冲放大（WNOPCPA）的设计方案，实现了具有2个宽光谱的超宽带带宽，有望推进艾瓦量级激光器发展。
中国科学院上海光学精密机械研究所在神光II第九路皮秒拍瓦装置上开展激光驱动质子加速实验并取得重大进展，获得了最高能量超过70 MeV的基于靶背鞘场加速机制（TNSA）的高能质子束输出，该结果是目前同类机制下国内已知的最高输出能量。
WNOPCPA概念示意
强激光在军事上有重要的应用。
2021年，美国陆军已将其首个具有作战能力的激光武器原型投入使用。
美国陆军快速能力和关键技术办公室计划在2022财年向实战部队交付4辆Stryker激光战车。
Stryker激光战车
自由电子激光是实现X射线波段高亮度相干光源的迄今最佳技术途径。
2021年，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室利用自行研制的超强超短激光装置，在基于激光加速器的小型化自由电子激光研究方面取得突破性进展。
研究团队在实验上首次实现了基于激光加速器的自由电子激光放大输出，率先完成了台式化自由电子激光原理的实验验证，对于发展小型化、低成本自由电子激光器具有重大意义。
小型化自由电子激光装置示意
径向偏振激光器可以清晰聚焦并表现出强烈的纵向场，可用于高分辨率成像、光镊和原子捕获等应用。
研究人员设计了对偏振不敏感的超快光参量放大构型，实现了对飞秒径向偏振光>1000倍的高增益光参量放大，为破解径向偏振光峰值功率的受限瓶颈提供了新的思路。
在此基础上构建径向偏振的光参量OPCPA系统，有望将径向偏振光的峰值光强提升至相对论强度，为强场物理领域的研究提供新的实验手段。
径向偏振的光参量放大实验装置
传统的光学方法在相对论强度激光场领域已经完全失效。
研究人员利用高分辨光电子成像技术，使用径向偏振的涡旋光束作为驱动光与超音速氙原子进行相互作用，在实验上首次实现了强激光场中光子轨道-自旋耦合过程的探测以及调控，为极紫外光子束的超快时空调控提供了全新途径。
同时该工作首次在实验上证实了在光学聚焦系统中，光子轨道自旋转化的存在，在强光场拓扑结构的原位探测方面也具有深远意义。
这为强场科学以及结构光学的基础研究和应用提供了一个全新的思路，开辟了结构光场驱动的强场电离的研究。
光子轨道-自旋相互作用及强场电离检测实验示意
超分辨与成像技术
光场成像可以同时捕捉入射光线的4D信息，实现多视角观察、数字重新聚焦和深度估计。
研究人员设计了色散消除CALF成像（DECALF）系统，能够处理覆盖整个可见光谱的光，并以20帧/s的速度完成宽带光场成像。
DECALF系统表征
在半导体产业中，需要一种无需近场扫描、纳米加工和荧光标记的方式克服光学衍射极限。
研究人员使用一种硅表面四波混频过程激发的局域倏逝波照明，这种激发波可将目标的部分倏逝波散射到远场，实现超分辨率成像。
基于非线性激发倏逝波的远场超分辨成像工作原理
电致化学发光是利用电极表面发生的一系列化学反应实现发光的形式。
研究人员搭建了一套高效的电致化学发光控制、测量和成像系统，首次实现了单分子电致化学发光信号的宽场空间成像，并在此基础上成功突破了光学衍射极限，第一次实现了电致化学发光的超分辨成像。
这项技术将作为一项研究工具，为化学反应位点可视化、单分子测量、化学和生物成像等领域提供新的可能。
铟锡氧化物结构的单分子电致化学发光成像
非视域成像利用单光子探测技术记录单个光子的飞行时间信息，可以实现对相机视场范围外的目标成像。
研究人员实现了时间分辨能力达到1.4 ps的近红外单光子探测器，使得所搭建的非视域成像系统成功对视域外毫米级大小的字母实现了高精度非视域成像。
非视域成像实验和重构图像（a）非视域成像实验装置；（b）重构图像；（c）沿轴线重构的反照率；（d）重构图中像素的距离分布
研究人员还提出了一种基于信号与目标联合正则化的重建方法，重构的非视域目标不但具有清晰的视觉效果，重建误差与现有方法相比显著降低。
基于信号与目标联合正则化重建算法
研究人员提出了数字自适应光学扫描光场互迭代层析成像技术（DAOSLIMIT），在一定范围内，将以毫秒级活体三维连续观测时长从数分钟提高到小时级，活体成像时空分辨率提升2个数量级，光毒性降低3个数量级，为揭示哺乳动物活体多细胞、多细胞器间的相互作用提供了全新路径。
DAOSLIMIT概念原理与应用
在三维空间，用光学方法对生物组织进行全面准确观测是公认的难题。
研究人员提出了一种高清晰度、高通量的光学层析显微成像新方法——线照明调制光学层析成像（LiMo），将线照明光强的高斯分布作为一种天然的照明强度调制模式，采用多线探测的方式一次性记录这些被不同强度调制的信号，从而获得清晰的焦面光学层析图像。
研究者基于此进一步发展了高清荧光显微光学切片断层成像技术（HD-fMOST），极大提高了全脑光学成像的数据质量，并显著提高了效率。
HD-fMOST对稀疏标记特定神经元的小鼠全脑进行高清三维成像的结果
多维光学成像能够同时获取探测目标多个维度的信息，为观察和分析探测目标提供了更加充分的条件，其中，超快光学成像可以捕获皮秒甚至飞秒时间尺度的超快动力学场景。
研究人员发明了一种光谱立体压缩超快成像技术（SVCUP），将飞行时间压缩超快成像（ToFCUP）和高光谱压缩超快成像（HCUP）这2种技术结合，提供了一种拓展超快光学成像维度的新方案，实现了立体动态场景的高光谱超快成像，表现出了五维成像性能。
对三维人偶模型的SV-CUP五维成像
量子计算与光通信
随着人们越来越依赖数字网络，快速生成大量高质量的随机数成为网络安全的迫切需要。
研究人员设计了一种芯片级激光二极管，可以超高速率生成随机位，该方法不仅可以极大地提高单个通道中的随机比特率，而且还可以提供数百个通道用于同时生成独立的比特流。
传统的边缘发射半导体激光器和新的系统设计（a）传统的边缘发射半导体激光器（b）新的系统设计
量子中继可以解决光纤直接传输的指数损耗问题，实现远程的量子纠缠分发，是构建大尺度量子网络的基础。
中国科学技术大学研究人员首次实现2个吸收型量子存储器之间的可预报量子纠缠，演示量子中继的基本链路，证实了基于吸收型量子存储构建量子中继的可行性，首次展现了多模式复用在量子中继中的加速作用，为实用化高速量子网络的构建打下了坚实的基础。
基于吸收型量子存储器实现量子中继的装置示意
量子密钥分发（QKD）是在2个远程用户之间建立一个共享位串，可用于加密，且能够抵抗量子计算机的攻击。
研究人员开发了双频段稳定技术，使用额外的多路复用波长作为参考来消除快速变化的波动，让原始相位参考进行更简单的微调任务，由此实现了第一个超越600 km和100 db损耗障碍的基于光纤的安全量子通信系统。
双频段稳定实验装置
量子计算需要构建能够最大限度地减少能量耗散并保护脆弱的量子态免受嘈杂环境影响的设备。
研究人员开发了一种光致对称开关，其中光以选择性模式对称扭曲狄拉克材料的晶格，将狄拉克点连贯地分裂为2对外尔点，光生巨大的低耗散电流。
这种声子太赫兹光控制为外尔节点的相干操纵和稳健的量子传输开辟了新天地，这一发现为自旋电子学、拓扑效应晶体管和量子计算带来了巨大的前景。
ZrTe5狄拉克材料中的光诱导外尔点
量子纠缠分发已在光纤链路或者卫星和地面之间的自由空间链路获得成功，以无人机为代表的移动信息平台，可以发挥其机动灵活、组网迅速、成本低廉等优势，与已有的地基、天基量子链路功能互补，有可能构建成即搭即撤的另一种移动量子网络。
研究人员以光学超晶格为核心元件研发了高效集成的偏振纠缠源，配置轻量化高精度跟踪瞄准系统，成功搭载于自主开发的小型多旋翼实验用无人机，实现了飞行中的无人机与地面之间单光子链路连接和光量子纠缠分发。
以此为基础，该团队进而实现了飞行中无人机之间的光量子链路，完成了移动量子节点数“从一到二”的跨越，实现了首个自由空间光学中继的纠缠分发。
有望从根本上解决自由空间量子链路中衍射损耗的核心问题。
基于移动无人机节点的量子网络和物理实现（a）由多节点结构组成的量子网络；（b）节点之间的中继收发器；（c）光中继示意；（d）衍射损失随光束孔径的变化；（e）使用无人机的移动量子网络方案
生物光子学
人工耳蜗在日常生活的嘈杂环境中难以理解语音，难以跟踪旋律和欣赏音乐。
研究人员提出了结合光遗传学和专门的光学人工耳蜗的听力恢复方法，开发了多通道光学人工耳蜗，光遗传学刺激的光谱选择性接近正常听力的光谱选择性，并且大大超过了最先进的电子耳蜗植入物的光谱选择性。
该系统的第一次人体试验计划在2025年底前开始。
光遗传听力恢复系统
快速、准确检测病毒对于遏制当前和未来大流行至关重要。
研究人员开发了一种可以在无标记的情况下快速识别COVID-19病毒的光学方法，将空间光干涉显微镜（SLIM）与深度学习算法相结合，并使用深度学习进行检测和分类。
SLIM不仅可以检测到病毒，还可以区分不同类型的病毒。
利用SLIM和机器学习进行病毒粒子分类
人造智能皮肤是指能够模仿或者增强人体皮肤功能的一系列柔性功能元器件。
研究人员提出了基于柔性有机微纳激光阵列实现人造光子皮肤的新思路，开发了一种双层电子束直写技术，实现了全有机柔性微腔激光阵列的大规模制备，进而设计了基于耦合腔结构的光子学传感器网络，展示了其类皮肤的机械传感应用。
基于有机微纳激光阵列实现人造光子皮肤概念
利用量子超距作用，研究人员发明了能够将活着的细胞结构细节看得更清晰的显微镜。
研究者使用了一种带有2个激光光源的显微镜，通过在激光束中的光粒子中引入量子纠缠“挤压”其中一束光线，使光子被耦合成相互关联的对，其中任何具有不同于其他光子能量的光子都被丢弃。
这一过程降低了光束的强度，同时降低了噪声，可以更精确成像。
活酵母菌细胞的量子增强成像
光动力疗法（PDT）和脂肪棕化诱导是两种独特的减肥方法，前者起效迅速但范围小，后者作用相对缓慢但影响广泛，它们存在互补性。
由此，研究人员提出了一种光声分子成像护航下的光动力/棕化抗肥胖策略，并研发了具有白色脂肪靶向的乙肝病毒核心蛋白（HBc）复合物。
光声分子成像护航下的脂肪光动力/棕化抗肥胖策略
光镊技术是采用以芯片为基础的光子共振捕获技术的光阱，能对纳米至微米级的粒子进行操纵和捕获。
2021年，研究人员发明了一种激光镊子，可以精确地重新定位单个病毒，使其瞄准细胞的特定部分，并在1 min内将受损或不完整的病毒分离出来。
研究人员开发了一种光制冷光镊，利用固态光学制冷和热电泳技术在激光产生的寒冷区域捕获粒子和分子，减少光对目标物体的热损伤。
研究人员开发出了光镊耦合拉曼光谱，可直接探测与帕金森病密切相关的固有无序蛋白（IDPs）的结构特征，以单个蛋白分子为研究对象，从生理浓度上对IDPs进行了研究。
光制冷光镊工作原理
量子光学
目前的光与物质相互作用仅限于单个原子，限制了人们在涉及量子技术的复杂系统中研究它们的能力。
研究人员首次发现了一种让光子与成对原子相互作用的方法，使用了由原子构成的费米气体，在没有光子的情况下，这些原子会形成松散的结合对，当光进入气体时，其中一些原子对可以通过吸收光子而变成化学结合的分子。
费米气体空腔实验概念
如何有效控制光子之间的相互作用，是量子光学研究的核心之一。
研究人员研发了新型的纳米超材料，在量子光学中引入一个新的自由度，首次实现了对光子之间量子相互作用的任意操控，为量子科学和技术的发展提供了新思路。
非幺正超表面光量子干涉中引入一种新的自由度
核心器件的属性和光子的量子本性在某些场合是不可区分的，可以等效地相互转化。
由此，研究者将纳米超材料的空间旋转自由度设计为光子量子相互作用的新自由度，通过旋转纳米超材料或改变单光子的偏振，实验上首次实现了连续和动态地控制双光子的量子干涉，等效实现了对光子量子本性和光子之间量子相互作用的任意操控。
这使得光子可以表现得有时像玻色子，有时像费米子，或者介于两者之间的任意状态，从而超越了光子固有的玻色子本性。
外力作用下电子的布洛赫振荡一直是研究的热点，却很难在实验上进行观测。
2021年，研究人员首次提出动态能带的概念，揭示了外力作用下电子的动态演化规律，并在光学谐振腔系统中通过构建合成频率空间实现了动态能带的实验测量。
为从合成维度的角度探索固体和光子系统的动力学提供了新的视角，还为光子系统中的能带操控提供了广阔的前景。
动态能带结构
氮气离子是一个用以研究光与物质相互作用以及光子相干操控特性的量子光学平台，有望在将来从实验室移动到室外的大气环境中。
2021年，研究人员在相干激发的氮气离子中实现了“光子存留”效应，验证了在大气离子气体中对光子进行相干操控的可能性。
相干激发的氮气离子中实现“光子存留”效应（a）相干激发的氮气离子中实现“光子存留”原理；（b）能级方案
光学探测与整形
激光源的光束整形通常是通过使用腔内空间光调制器（SLM）动态控制传统激光器中的强度和相位分布来实现的，这种激光器的激光模式数量有限，只能产生较低的空间分辨率，提供有限的激光光相干控制。
研究人员采用了结合腔内数字SLM和腔内空间傅立叶滤波器的简并腔激光器，从而利用大量独立的激光模式，直接访问近场和远场平面，提供对所有光束自由度完全、独立的控制，由此开发了一种新颖、快速和有效的方法来生成具有任意强度、相位和相干分布的高分辨率激光束，有效地将成形的激光束重新整形为完全不同的形状，且可以高保真地生成极高阶的激光模式。
数字简并腔激光器
现有的气体探测激光雷达主要包括2种：距离分辨差分吸收激光雷达，实现有距离分辨率的气体浓度遥感，但是数据反演时需要已知气体光谱线型；路径积分差分吸收激光雷达，可获得路径积分的平均光谱，但无法获得距离分辨信息。
研究人员发明了一种单光子探测自由空间区段光谱遥感技术，实现了自由大气中二氧化碳和半重水有距离分辨率的光谱遥感分析。
通过脉冲式光纤放大器的优化，该系统可实现光通信波段中的多种气体光谱的遥感分析。
探测激光和参考激光时分复用
涡旋光
光学涡旋光束的拓扑-相位奇异性与轨道角动量和环形强度分布有关，开发涡旋光束的关键挑战包括设计其特性及限制或抑制不利的衍射效应。
研究人员将光学针状光束（OPB）的概念和方案扩展到携带轨道角动量的光学光束，在理论和实验上证明了针状光学涡旋光束（POVBs）。
针状光学涡旋光束动力学表征
POVBs通过调制实空间中初始单色平面波的相位和振幅分布产生，振幅结构经过适当设计以控制传播范围内的峰值强度演变并增加抗衍射特征。
实验中，研究者通过基于空间光调制器的整形技术调制输入光束的相位来实现POVBs，从而对幅度和相位进行编码。
该研究扩展了对针状反衍射涡旋光束的理解，并在长距离自由空间光学中建立了奇异光学和结构光之间的联系。
孤子光学
孤子是在自然界中发现的自持粒子状波包。
研究人员展示了一类新的光学孤子的理论和实验观察，其特征是在具有强光谱滤波的正常色散谐振器中具有大且正啁啾的脉冲。
尽管耗散很大，但啁啾脉冲在低品质因数谐振器中仍然保持稳定。
通过将脉冲生成扩展到正常色散系统还可以使其支持更高的脉冲能量，将使超短脉冲和频率梳源成为可能，进而使其更简易地应用于光谱学、通信和计量学等领域。
啁啾耗散孤子的实验原理
时域折射是指光束在折射率时变介质中通过时域边界时在时域坐标轴上发生折射现象。
时域边界由于打破时间平移对称性，导致光通过其传输时会发生频率变化，出现光子加速现象。
光畸波的存在会对光学器件造成损伤，但是通过对其调控，可在脉冲放大、高阶鬼成像等领域有着重要的应用价值。
研究人员对高功率脉冲在非线性反常散射介质中与时域边界相互作用的光学性质进行了研究，发现对入射脉冲的脉宽与功率值进行合理调控，可在时域边界处形成表面光孤子。
该研究揭示了在具有事件视界的非线性光学系统中一种产生光畸波的机制，并在时域边界表面光孤子理论和光畸波物理学之间建立了联系。
人工智能
2021年，研究人员演示了深度神经网络如何精确模拟和预测光纤中复杂的非线性动力学，包括光学杂散波生成和宽带超连续谱生成。
这种网络具有时间维度，通常用于语言处理、语音识别或预测问题等任务，既能识别特定的动态模式，也能了解模式如何随着距离的推移而演变。
研究者将这个递归神经网络应用于非线性光纤中的脉冲压缩和超宽带超连续谱产生的动力学预测中，取得了很好的效果。
递归神经网络及预测
类脑智能是受大脑神经运行机制和认知行为机制启发，以计算建模为手段，通过软硬件协同实现的机器智能，实现类脑智能是人类长期以来一直追求的梦想。
研究人员突破了信息传感、存储和计算之间信息交换时存在的性能瓶颈，创新性地提出了一种同质晶体管-存储器架构和新型类脑神经形态硬件。
同质晶体管-存储器架构的原理及器件结构
光学传感
研究人员创造了一种模仿螳螂虾眼的新型有机电子传感器，称为SIMPOL传感器，该传感器可以装在智能手机上，并进行高光谱和偏振成像。
SIMPOL的颜色通道可以辨别典型成像传感器1/10的光谱特征，为新型有机电子传感技术打开了大门。
螳螂虾眼和仿生传感器
“片上实验室”将传统实验室中样品输送、混合与反应过程转移到小巧的微流控芯片上进行，不仅显著降低了样品用量，而且极大提升了反应效率。
研究人员提出了一种高空间/时间分辨率的光纤光声传感技术，可以“拍摄”出微流通道中2种透明溶液的相互扩散过程，对扩散界面的建立、稳定与消退过程进行可视化。
该技术开启了光纤传感新模式，有望在细胞分析、疾病内窥探测等领域取得应用。
基于光热引起声学振动的光纤光声传感器
太赫兹光学
太赫兹技术在高速通信、生物医学成像、雷达和安全检测等领域具有变革性的应用前景。
强太赫兹源的缺乏是制约太赫兹科学与技术发展的关键。
研究人员全面提升了泵浦激光转化为太赫兹辐射的能量转化效率，获得了单脉冲能量1.4 mJ、峰值电场6.3 MV/cm、峰值磁场2.1 T、能量转化效率0.7%的国际领先超强太赫兹辐射。
利用铌酸锂倾斜波前技术产生太赫兹辐射的原理示意
如何对太赫兹波的相位和振幅进行有效的动态调控已成为研究的热门。
研究人员提出了一种利用片上多路数字编码控制二维电子气微扰结构单元微扰谐振态实现对片上传输太赫兹波高精度相位调控的新方法，形成了多路可编码的超构芯片新结构。
这种方法可实现对太赫兹波的相位进行高精度的数字操控。
多通道场微扰编码芯片结构
基于传统射频加速技术的下一代高能粒子加速器，面临装置结构复杂、造价昂贵等技术挑战。
清华大学研究团队完成了世界上首次相对论电子束的级联太赫兹加速方案的原理性验证实验，实现了太赫兹波对相对论电子束的两级级联加速，将太赫兹加速领域的加速梯度和能量增益提高了1个量级。
该成果填补了太赫兹加速在高能段的技术空白，验证了一条切实可行的高能量太赫兹加速器的技术路线，并为太赫兹加速技术在超快科学、强场物理、先进光源与新加速器等领域的应用带来全新的机遇。
级联太赫兹加速实验
光伏光电
钙钛矿太阳能电池的厚度不到1 μm，此外，与硅太阳能电池制造的温度相比，它们可以使用溶液工艺和低得多的温度制造。
虽然目前有机无机杂化钙钛矿在多种器件中得以发展，但是实现高质量材料的同时，改善器件制备的可重复性、合成大面积器件仍具有非常大的难度。
研究人员提出了一种液体介质退火技术（LMA）制备钙钛矿太阳能电池的薄膜，得到的钙钛矿薄膜太阳能电池的稳定输出功率达到24.04%，并在2000 h 连续工作后仍保持95%的最初效率。
液体介质退火合成钙钛矿的过程
照明显示
如何将显示功能与织物融合集成，在实现显示的同时又确保织物的柔软、透气导湿、适应复杂形变等特性，是这个领域的一个难题。
复旦大学研究团队提出在高分子复合纤维交织点集成微型发光器件，实现了大面积柔性显示织物和智能集成系统。
该研究团队还发展了高效的集成方法，实现了集能量转化/储存、传感、实时通信等功能于一体的智能织物显示系统。
显示织物结构和发光点照片
如何实现更长的红外波段尤其是红外II区响应的上转换发光，对于稀土发光基础研究及前沿应用具有重要研究意义。
研究人员提出了一种可以有效实现红外II区响应的上转换发光机理模型，通过引入镱亚晶格选择性调控敏化剂铒与发光离子之间的相互作用，成功获得了多种离子的上转换发光。
该研究促进了对微观尺度能量迁移和稀土发光物理本质的理解，有望进一步推动稀土发光基础研究以及研发新型高效上转换发光材料体系。
镱亚晶格实现红外II区响应上转换发光原理和纳米粒子结构设计
钙钛矿量子点电致发光LED的稳定性是决定其实现规模化商业应用的关键因素。
研究人员通过氟化物后处理钙钛矿量子点的方式，首次实现环境温度处于100℃范围内量子点荧光性能近乎零“热猝灭”，所制备的LED电致发光器件也具有优异的抗“热猝灭”性能。
另外，研究人员首次报道了明亮高效的单层超薄钙钛矿白光LED，构筑了基于同质异相α-δ-CsPbI3单层薄膜的LED器件，实现了输出可调的高效电致白光。
单层超薄钙钛矿白光LED结构及性能
拓扑光子学
近年来，拓扑光子学和非厄米光学成为光子学中两个最活跃的新兴研究领域，但在光学领域还没有能找到或是搭建一个可调控的非线性非厄密拓扑光子学实验平台。
研究人员利用自主研发的连续激光直写技术，首次在非线性晶体中制备了非厄米拓扑光子晶格，实现了非线性对宇称时间对称性与非厄米拓扑态的调控，并且理论上进一步揭示了非线性效应对非厄米体系中奇异点的影响以及拓扑态接近奇异点时敏感性和鲁棒性的拮抗效应，为非厄米拓扑光子学及其交叉领域提供了新的研究方向。
PT对称性和拓扑状态的单通道非线性调控
最近人们发现体-边对应关系不足以区分许多由晶格对称性保护的拓扑材料，即拓扑晶体材料，如何通过实验方法确定拓扑晶体材料的拓扑性质随之成为一个重大挑战。
研究人员借鉴自然界中常见的晶体缺陷结构，设计提出了一种基于具有六重旋转对称性的可重构光子晶体的人工旋错模型，发现在体-旋错对应关系中，诱导出的分数荷量子数完全依赖于拓扑指标，可以用来表征拓扑晶体材料。
本文作者：卢战韬，李林骏，邱丽娟，谢兴龙，朱健强作者简介：卢战韬，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室，博士研究生，研究方向为高功率激光和ICF聚变物理；谢兴龙（通信作者），中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室，研究员，研究方向为超短脉冲激光技术；朱健强（共同通信作者），中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室，研究员，研究方向为高功率激光技术。
论文全文发表于《科技导报》2022年第1期，原标题为《2021年光学热点回眸》，本文有删减，欢迎订阅查看。
